数控激光加工技术训练教案
山东大学工程训练中心
激光加工技术训练部
第一节概述
激光技术涉及光学、机械学、电子学等学科，是一门综合性高技术。
世界上第一台激光器是美国科学家梅曼于1960年研制成功的红宝石激光器。
我国第一台红宝石激光器于1961年9月在中国科学院长春光机所诞生。
梅曼研制的红宝石激光器是用一根红宝石棒作为发光物质（棒两头镀上银膜形成反射镜面），棒外套上一支螺旋状的氙气灯，为了充分利用氙灯光，梅曼又在螺旋氙灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氙灯光照到红宝石上。
在世界上第一台红宝石激光器问世不久，1960年年底，由工作在贝尔实验室的贾范发明了世界上第一台氦氖激光器，并且在其影响下产生出一系列气体激光器。
此后，1962年出现了半导体激光器；1964年由帕特尔发明了第一台CO2激光器；1965年发明了第一台YAG激光器；1968年开始发展高功率CO2激光器；直至1971年出现了第一台商用1KWCO2激光器。
上述的一切，特别是高功率激光器的研制成功，为激光加工技术应用的兴起和迅速发展创造了必不可少的前提条件。
激光是自问世后很快在实际中得到应用的高技术。
其后，随着对有关基本理论研究的不断深化，各类激光器件不断地发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。
如今，激光技术已经在工业、农业、医学、军工、科学研究、以及人们的现代生活中得到了广泛应用。
从激光微细加工到激光核聚变，从视听装置、激光通讯到捕捉、跟踪、测量飞行目标，从激光育种到激光美容，激光技术都大有用武之地。
激光技术具有很广又很强的渗透性。
激光应用于检测、测距、准直，可大大提高测量精度和自动化程度，使其在机械、建筑、冶金、汽车、石油和国防等领域得到了广泛应用。
激光应用于通讯，使通讯技术产生了质的飞跃；激光应用于信息储存，已使视听技术发生了重大变革；激光分色、打印促进了印刷技术的发展；激光应用于医学，已可治疗110多种疾病，具有独特的效果，是其它医疗器械无法比拟的。
激光应用于材料加工，如打孔、切割、焊接、热处理、打标和微加工等，解决了许多常规方法无法解决或很难解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，被誉为未来制造系统共同的加工手段。
到目前为止，我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标等方面已有许多非常成功的应用范例。
激光合金化和熔覆、激光制备新材料、激光快速三维立体成型等都已在快速走向实用化阶段。
一、激光的特性
激光也是一种光，是通过受激辐射发出的。
它具有一般光的反射、折射和绕射等共性。
还有它本身的特性，概括地说，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光所具有的优异特性是普通光源望尘莫及的。
1.激光的高亮度和高强度
激光的亮度和强度高的原因，在于激光可以实现光能在空间和时间上的高度集中。
一台红宝石巨脉冲激光器的亮度比高压氙灯高370亿倍，比太阳表面的亮度也要高200亿倍。
具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能加工几乎所有的材料。
2.激光的高方向性
激光的高方向性主要指其光束的发散角小。
普通光源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的方向性，所以发射的光束是很发散的。
即使是加上聚光系统，要使光束的发散角小于0.1rad，仍是十分困难的。
激光则不同，它的各个发光中心是互相关联地定向发射，所以可以把激光束压缩在很小的立体角内，发散角可以小到0.1mrad左右。
由于激光的方向性好，可以使光束会聚到直径小于0.01mm的面积上，故可用于微细加工。
激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。
所谓单色性，是指光的波长或频率
在一个确定的极窄的数值范围内。
数值
范围（即谱线宽度）为零的单色光是不
存在的。
波长为λ0的单色光是指中心
波长为λ0，谱线宽度为Δλ的一个光图一
谱范围。
Δλ称为该单色光的线宽，是衡量单色性好坏的尺度。
Δλ愈小，单色性愈好，见图一。
光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。
4.激光的高相干性
激光的相干性，即在空间的不发散性——在远离光源处仍保持起始的横断面尺寸。
激光单色性愈好，则相干长度愈大，相干性愈好。
氪灯光源的相干长度只有78cm；而激光相干长度一般都达数十km。
应当指出，激光的上述特性不是相互无关的，而是相互联系、互相渗透的。
二、激光的产生
任何物质都是由原子、分子等基本粒子组成，这些粒子具有一些不连续的离散分布的能级。
能级较低的粒子可以吸收一定频率的光子而跃迁到较高的能级，这种过程称为吸收。
能级较高的粒子可以通过两种方式向外发射出一定频率的光子。
一种方式是自发辐射，各个发光中心的频率、位相、传播方向和偏振状态等都互不相干，与外界影响没有关系。
普通光源即是由自发辐射产生的。
另一种方式是在相应频率光子的打击下，粒子从高能级跳到低能级，称为受激辐射。
在一般情况下，处于高能级的粒子数总是比低能级的少，因此吸收的概率大于受激辐射的概率，吸收作用占优势。
某些物质如氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）原子，氩（Ar）、铬（Cr）钕（Nd）离子，及二氧化碳分子等，在外来能量的激发下，有可能使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，实现粒子数反转。
当入射光通过这样的物质时，受激辐射作用占优势，吸收较小，从而使入射光子数得到增强，并且增加的那些受激辐射光子的频率、位相、传播方向和偏振状态等都同入射光子完全一致，这就是光的受激辐射放大作用，激光就是这样产生的，因此激光是“受激辐射的光”。
第二节激光加工的原理
一、基本原理
激光由于强度高，方向性好，颜色单纯，这就有可能通过一系列的光学系统，把激光束聚焦成一个直径仅有数um到数十um的极小光斑，从而获得107——1011W/cm2的能量密度以及摄氏上万度的高温，并能在10-3s或更短的时间内使一些难熔材料急剧熔化以致汽化蒸发，以达到加工工件的目的。
激光加工的机理，目前还不十分清楚，说法不一。
但从大量的实验研究来看，可以这样来认识：当能量密度极高的激光束照射在被加工表面时，光能被加工表面大量吸收，并部分地转换成焦耳热能，使照射斑点的局部区域温度迅速升高到熔化以致汽化，并形成陷坑。
随着光能的继续被吸收，陷坑中的金属蒸汽高速膨胀，相当于产生一个微型爆炸，把熔融物高速喷射出来，同时产生一个方向性很强的反冲击波。
工件在高温和反冲击波的同时作用下，被打出一个带椎度的微型小孔。
那么，这个孔是不是单纯地因高温被烧穿的呢？根据计算表明，把孔中的材料全部汽化所需要的能量比激光所提供的能量要多。
而且热的传递时间要比现在打孔所需要的时间长得多。
再说热量还会向四周扩散，因而孔的形状既不会很规则，也不可能太小。
这证明孔不是烧穿的，而是被光子共振所高速打穿的。
二、加工特点
由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点：
1.由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此
可以实现多种加工的目的；
2.它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔
点的材料；
3.激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；
4.激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非
激光照射部位没有或影响极小。
因此，其热影响区小，工件热变形小，后续
加工量小；
5.它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；
6.由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复
杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；
7.生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。
激光加工的上述特点可从下述应用实例中看得很清楚。
[例1]美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异性槽，不到4h 即可高质量完成，而原来采用电火花加工需9h以上，仅此一项，每台发动机造价就可节省5万美元。
[例2]激光可在高硬度、高脆性材料上打出高精度孔，它的加工效率是电火花加工效率的12～15倍，是机械钻孔效率的200倍，而且还便于加工微孔、群孔和异性孔等。
[例3]激光切割钢件其切割工效提高8～20倍，节省材料15～30﹪，可大幅度降低生产成本，且加工精度高，产品质量稳定可靠。
第三节激光加工设备
一、组成
激光加工设备的种类繁多，但其基本部分包括:激光器、电源、光学系统和机械系统等。
1.激光器它的任务是将电能转变成光能，产生所需要的激光束。
激光器的
种类很多，一般按工作物质分为固体、气体、液体、半导体和化学激光器等等。
根据工艺要求，激光照射必须是脉冲性的，既要有较大的脉冲能量，又希望有一定的重复频率。
目前较多地应用于激光加工的有CO2气体激光器和红宝石、钕玻璃、YAG等固体激光器。
2.电源为激光发生器提供所需要的能量。
包括时间控制、触发器、电压控
制和储能电容器组等。
3.光学系统用来将激光束聚集，并能观察和调整焦点位置。
4.机械系统主要包括床身、坐标精密工作台和机电控制系统等。
为保证加
工精度，机床设计时要求传动链短，尽可能减少传动间隙；光路系统的调节部分，在调整好后，须锁紧固定；刚度应能防止受环境温度等因素影响而引起变形。
加工设备性能特点见下表
二、CO2激光器
二氧化碳激光器是在激光管内充有CO2—N2—Ar混合气体，激活粒子是CO2分子。
它能以大功率连续输出。
激光波长为10.6um。
效率高达10～30％，且方向性好。
但由于体积大，输出瞬时功率较低，所以应用没有固体激光器那样广泛。
CO2激光器的重要特点是：
1）高功率，其最大连续输出功率已达25KW；
2）高效率，其总效率为10﹪左右，比其它加工用激光器的效率高得多；
3）高光束质量，其模式较好且较稳定。
所有这些优点都是激光加工所需要的。
1.快速轴流CO2激光器
图2为快速轴流CO2激光器的示意图，它是由工作气体沿放电管轴向流动来实现冷却，且气流方向同电场方向和激光方向一致，其气流速度一般大于100m/s。
其结构主要由细放电管、谐振腔、高压直流放电系统、高速风机、热交换器及气流管道等部分组成。
附：谐振腔——在激光器中，初始的
光信号来源于自发辐射，而自发辐射是杂乱
无章的。
怎样在其中选取一定传播方向和频
率的光信号，使其有最优的放大作用，而把
其它方向和频率的光信号抑制住，最后获得
单色性和方向性很好的激光呢？为了达到这 图2
个目的，可在工作物质的两端加两块相互平行的反射镜。
这对反射镜所构成的装
置，称为光学谐振腔。
快速轴流CO 2激光器的主要特点有：
1）光束质量好（基模或TEM 01模）
2）功率密度高
3）电光效率高，可达26％
4）结构紧凑
5）可以连续和脉冲双制运行。
因此，这种类型激光器使用范围很广。
2. 横向流动型CO 2激光器
图3为横流CO 2激光器的示意图。
该
激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向
快速流过放电区以维持腔内有较低的气体
温度，从而保证有高功率输出。
单位有效
谐振腔长度的输出激光功率达每米10KM 。
但其缺点是光束质量较差，在好的情况下 图3
可以得到低阶模输出，否则为多模输出。
这种类型的激光器广泛应用于材料的表
面改性加工领域，如激光表面淬火、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光表面
非晶化等。
附：模式—— 激光器发出的激光束，其横向截面上光强具有特定的分布，
这种分布形式称为模式，也称横模。
激光器以单一模震荡，称为单模，最低次单
模为基模，它的光强分布呈高斯曲线形。
三、 YAG 激光器
1. YAG激光器的特点
YAG激光器具有许多不同于CO2激光器的良好性能：
1）它输出的波长为1.06um，恰好比CO2激光波长10.6um小一个数量级，因而使其与金属的耦合效率高、加工性能良好（一台800W YAG激光器的有效功率相当于3KW CO2激光功率）；
2）YAG激光器能与光纤耦合，借助时间分割和功率分割多路系统能方便地将一束激光传输给多个工位或远距离工位，便于激光加工实现柔性化；
3）YAG激光器能以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出可通过调Q和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲，从而使其加工范围比CO2激光更大；
4）YAG激光器结构紧凑、重量轻、使用简便可靠、维修要求较低，故其应用前景看好。
YAG激光器的主要缺点是：
1）其转换效率较低，仅为1～3％，这比CO2激光器的效率约低一个数量级；
2）YAG激光棒在工作过程中存在内部温度梯度，因而会引起热应力和热透镜效应，限制了YAG激光器平均功率和光束质量的进一步提高；
3）YAG激光器每瓦输出功率的成本费比CO2激光贵。
2. YAG激光器的基本结构
图4为YAG激光器的基本结构示意图。
聚光腔、光学谐振腔和电源等部分组成。
在工作过程中，激光棒和泵浦灯外围都必
须用流动水冷却，以保证其长时间稳定工作。
YAG激光器采用光泵浦。
目前的先进水
平是：连续泵浦氪灯的使用寿命在满负荷为图4
200h；在70％负荷下运行时，其寿命为1000h。
脉冲氙灯的寿命为3x106次。
YAG激光器当前最大峰值功率可达几十千瓦，平均脉冲功率可达数千瓦。
单棒连续YAG激光器的最高功率为600W，单模输出最大功率可达340W，如将几个
YAG棒串联可获得2KW级连续激光输出。
四、激光加工机
若要完成激光加工操作，必须要有激光束与被加工工件之间的相对运动。
在这一过程中，不但要求光斑相对工件按要求的轨迹运动，而且要求自始至终激光光轴垂直于被加工表面。
加工机按用途可分为通用加工机和专用加工机。
前者用途面较广，能完成的各样动作较多；后者则专门针对某类特定加工对象而设计制造的设备。
通用加工机分龙门式和加工机器人两种，如图5。
龙门式激光加工机如图5（a ）所示。
工件和光束的相对运动由直角坐标运动系统完成，可以是工件运动，也可以是光束运动，或二者的组合。
光束运动由导光系统或激光器的运动来实现。
龙门式加工机具有较高的刚度和运动精度，加工范围较广，但机床本身的外部轮廓远大于其工作空间，比较笨重。
激光加工机器人如图5（b ）、
（c ）所示。
（b ）为机器人夹持激
光加工头，它带动加工头以特定的
方位角指向其有效加工区域内的任
意加工部位。
它灵活轻巧，深入加
工部位的能力较强，特别适合于汽车 图5
壳体之类的大型三维零件的加工。
其缺点是刚性较差，运动精度和加工精度比龙门式激光加工机床要低。
第四节 激光加工工艺的应用
1.激光打孔
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。
随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。
例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红宝石、蓝宝石上加工几百微米的深孔等等。
这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难，
有时甚
至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。
激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得极高的功率密度，几乎可对任何材料实行激光打孔，而且与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比，具有以下显著的优点：
1）激光打孔速度快，效率高，经济效益好。
将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合，通过微处理机进行程序控制，可以实现高效率打孔。
在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比，效率提高10—1000倍。
例1：用机械方法在金刚石拉丝模上打一个孔（深1.25mm）需24h，用红宝石激光打孔只需6—9min，而用YAG激光打孔只需2s。
例2：用机械方法在钟表宝石轴承上打孔（孔径为0.3mm）,每秒钟只能打0.2个孔；用红宝石激光打孔，每秒钟可以打出10—14个孔。
例3：用钕玻璃激光打孔机加工柴油机喷油嘴，与电火花相比，工效提高14倍。
由于激光打孔速度快、效率高、易于实现计算机程序控制，因此大大降低了打孔加工工时。
另外，激光打孔过程与工件不接触，省去了一般机械加工方法所造成的钻头断裂、磨损、更换等工序。
工件的装夹、固定也很简单，进而使得打孔的加工成本也大大降低，经济效益显著提高。
2）激光打孔可获得大的深径比。
在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。
对于用激光束打孔来说，激光束参数较其它打孔方法更便于优化，所以可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比。
一般情况下，机械钻孔和电火花打孔所获得的深径比值不超过10。
例1：在淬火模具钢上，用YAG激光打出直径为0.6mm、深度为17mm的孔，其深径比为28：1。
例2：在碳钢上，通过对导光系统参数进行调整，在厚度为16.2mm时，打出孔径为0.25mm的小孔，其深径比为65：1。
3）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。
高能量激光束打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，它既适于金属材料，也适于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。
由于难加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力
强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短、表面粗糙度差、倾斜面上打孔等因素使打孔的难度更大。
而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。
4）激光打孔无工具损耗。
激光打孔为无接触加工，避免了机械钻打微孔时易断钻头的问题。
用机械钻加工直径为0.8mm以下的小孔，即使是在铝这样软的材料上，也常常出现折断钻头的问题，这不仅造成工具损耗而加大成本，而且会因钻头折断致使整个工件报废。
5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。
由于激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得激光打孔过程准确无误地重复成千上万次。
结合激光打孔孔径小、深径比大的特点，通过程序控制可以连续、高效地制作出小孔径、数量大、密度高的群孔板。
6）用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。
对于机械打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极为困难的。
如果为高强度、高硬度材料，打孔几乎是不可能的，而激光却特别适合于加工与工件的表面成6°～90°角的小孔，即使在难加工材料上打斜孔也不例外。
另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没污染。
因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生。
而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特列保护。
激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。
由此可见，激光是一种高质量、快速打孔的有效工具。
2.激光切割
激光切割是一种高能量密度可控性好的无接触加工。
激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点：
1）切缝窄；
2）切边受热影响很小，基本没有工件变形；
3）无刀具磨损；
4）任何硬度的材料都可切割；
5）与自动化装备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；
6）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。
3.激光焊接
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。
与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：
1）速度快、深度大、变形小。
2）能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。
例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
3）激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。
4）可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。
如将铜和钽两种性质截然不同的金属焊接在一起，合格率几乎达百分之百。
5）可进行微型焊接。
激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。
例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等，由于采用了激光焊，不仅生产效率大大提高，且热影响区小、焊点无污染，大大提高了焊接的质量。
6）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。
7）激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多位加工，为更精密的焊接提供了条件。
4.激光硬化（激光淬火）
激光硬化是快速表面局部淬火工艺的一种高新技术。
这种方法主要用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，是零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。
激光硬化可以大幅度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益，已广泛地应用于各种行业的许多产品上。
(1)分类
激光硬化一般分为三种工艺：激光相变硬化、激光熔化凝固硬化和激光冲击硬化。
它们共同的理论基础是激光与材料相互作用的规律。
三种工艺各自的特点。
